[논문 리뷰] Using Sohn's law of additive reaction times for modeling a multiparticle reactor. The case of the moving bed furnace converting uranium trioxide into tetrafluoride

Fabrice Patisson, B. Dussoubs외 1명|ArXiv.org|2008. 03. 19.

Iron and Steelmaking Processes참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 UO3에서 UF4로 전환하는 이동층 고로에서 기체-고체 반응을 시뮬레이션하기 위한 계산적으로 효율적인 분석 모델을 제시한다. Sohn의 덧셈 반응 시간 법칙을 사용하여 2차원 정 steady-state 유한체적 반응기 모델 내에서 입자 척도의 반응 동역학을 근사한다. 이 방법은 정확도를 유지하면서도 시뮬레이션 시간을 크게 단축시키며, 세밀한 수치 입자 모델과의 검증을 통해 핵 연료 생산을 위한 공정 최적화를 가능하게 한다.

ABSTRACT

One of the major issues with multiparticle reactors is to handle their multiscale aspect. For modeling, it usually comes to coupling a reactor model (describing the phenomena at the macroscopic scale) with a so-called grain model (simulating the behavior of a single grain or a particle). An interesting approach proposed by H.Y. Sohn (1978) is to use the law of additive reaction times in order to calculate, approximately but analytically, the reaction rate of a particle in the reactor model. Its great advantage, compared to a numerical grain model, is to drastically reduce the computation time, particularly in the case of complex reactor models. This is the approach we retained for modeling the moving bed furnace, a counter-current gas-solid reactor used in the nuclear fuel-making route for producing uranium tetrafluoride from uranium trioxide. The numerical model we developed is 2-dimensional, steady-state and based on the finite volume method. It describes solid and gas flow, convective, conductive and radiative heat transfers, and six chemical reactions involved in the process. The law of additive reaction times is used to calculate analytically the rate of the three principal gas-solid reactions at every discrete point in the reactor. We have demonstrated the validity of this approach by comparing its results with those calculated from a numerical grain model. Also detailed in the paper are the main results of the moving bed furnace model itself and the possibilities of optimizing the process revealed by the calculations.

연구 동기 및 목표

• 다양한 스케일의 문제를 다루기 위한 다입자 반응기 모델링, 특히 핵 연료 가공에서의 과제 해결
• 이동층 고로 내 복잡한 기체-고체 반응을 시뮬레이션할 때 계산 비용을 줄이기
• Sohn의 덧셈 반응 시간 법칙이 수치 입자 모델의 분석적 대안으로서 타당한지 검증하기
• 우라늄 삼옥사이드에서 우라늄 테트라플루오라이드 생산을 위한 공정 최적화 가능하게 하기
• 열전달, 유동 역학, 다중 화학 반응을 통합한 2차원 정 steady-state 유한체적 모델 개발하기

제안 방법

• 반응기 모델 내에서 입자 척도의 반응 속도를 분석적으로 계산하기 위해 Sohn의 덧셈 반응 시간 법칙 적용
• 이동층 고로를 위한 2차원 정 steady-state 유한체적 수치 모델 개발
• 반응기 모델에 대류, 도전, 복사 열전달 메커니즘 통합
• 여섯 개의 화학 반응 모델링, 그 중 세 가지 주요 기체-고체 반응은 Sohn의 법칙을 사용하여 계산
• 덧셈 반응 시간 근사치를 통해 거시적 반응기 거동과 입자 척도의 동역학을 결합
• 세밀한 수치 입자 모델의 결과와의 비교를 통해 분석적 접근의 타당성 검증

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Sohn의 덧셈 반응 시간 법칙은 다입자 반응기 시뮬레이션에서 수치 입자 모델의 정확하고 계산적으로 효율적인 대안이 될 수 있는가?
• RQ2 덧셈 반응 시간의 사용이 UO3에서 UF4로의 전환에 있어서 고로 내 전환 속도 예측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 대향류 반응기에서 UO3에서 UF4로의 전환 효율에 영향을 미치는 주요 열적 및 유동 매개변수는 무엇인가?
• RQ4 분석 모델이 전체 수치 입자 모델의 결과를 어느 정도 정확하게 재현할 수 있는가?
• RQ5 반응기 모델의 시뮬레이션 결과로부터 도출되는 공정 최적화 전략은 무엇인가?

주요 결과

• Sohn의 법칙에 기반한 분석 모델은 세밀한 수치 입자 모델의 결과와 밀도 있는 일치를 보이며 정확도가 검증됨
• 덧셈 반응 시간의 사용은 전체 수치 입자 시뮬레이션에 비해 계산 시간을 크게 단축시켜 반응기 척도 분석을 보다 빠르게 가능하게 함
• 2차원 유한체적 모델은 고체 및 기체 유동, 열전달, 다중 화학 반응의 상호작용을 성공적으로 기록함
• 모델은 UO3에서 UF4로의 전환 효율에 영향을 미치는 핵심 운용 조건과 매개변수 민감도를 드러냄
• 공정 최적화 연구를 통해 온도 프로파일, 기체 유량, 체류 시간 분포와 같은 핵심 변수들이 수율 향상과 에너지 효율성 향상에 기여함을 규명함
• 분석적 입자 동역학을 복잡한 다중 스케일 반응기 시뮬레이션에 적용할 수 있음을 입증하며, 예측 능력을 손상시키지 않음